1. 葉脊網絡架構簡介
天地萬物，應運而生。傳統的三層網絡架構，在發展了多年後，終於也命數將盡了，替代它的，將是葉脊網絡架構。究其原因，是因爲傳統三層網絡架構自身存在一些無法突破的限制與弊端，在當今雲計算風起雲湧，虛擬化如火如荼，數據中心越來越大，網絡規模需要無限擴展的時代，葉脊網絡架構應運而生。
1.1 傳統三層網絡的弊端
如上圖是傳統三成網絡架構的典型拓撲結構：
- 接入層：接入交換機通常位於機架頂部，所以它們也被稱爲ToR（Top of Rack）交換機，它們物理連接服務器。
- 匯聚層：匯聚交換機連接同一個二層網絡（VLAN）下的接入交換機，同時提供其他的服務，例如防火牆，SSL offload，入侵檢測，網絡分析等， 它可以是二層交換機也可以是三層交換機。
- 核心層： 核心交換機爲進出數據中心的包提供高速的轉發，爲多個二層局域網（VLAN）提供連接性，核心交換機爲通常爲整個網絡提供一個彈性的三層網絡。
在這種網絡架構下，存在如下的一些弊端：
- 帶寬的浪費：爲了防止環路，匯聚層和接入層之間通常會運行STP協議，使得接入交換機的上聯鏈路中實際承載流量的只有一條，而其他上行鏈路將被阻塞（如圖中虛線所示），造成了帶寬的浪費；
- 故障域較大：STP協議由於其本身的算法，在網絡拓撲發生變更時需要重新收斂，容易發生故障，從而影響整個VLAN的網絡；
- 難以適應超大規模網絡：在雲計算領域，網絡規模擴大，數據中心也分佈在不同的地理位置，虛擬機要求能在任意地點創建，遷移，而保持其網絡屬性（IP, 網關等）保持不變，需要支持大二層網絡，在上圖的拓撲中，無法在VLAN10和VLAN20之間作上述遷移；
對於上述帶寬浪費的問題，思科提出的解決方案是vPC（virtual Port Channel）協議，可以將接入交換機的兩條上行鏈路做成一個vPC，同時承載流量，從而避免了帶寬的浪費，提升了帶寬的利用率，然而，一方面，這種方案仍然無法做到水平擴展，因爲vPC只支持最多兩個上行鏈路，上行鏈路增多時，無法線性增加帶寬；另一方面，vPC是思科的私有協議，對於廠商的依賴性強，成本上不具有優勢，下圖爲vPC的架構圖：
上圖的方案提高了帶寬利用率，但仍沒有解決大二層的問題，解決方案是將核心層以下的部分全部放在同一個二層網絡中，但是，同一個二層網絡中容納如此多的設備，二層網絡中的廣播風暴將隨着設備的增加而越來越嚴重，最終給交換機帶來沉重的負載，從而影響流量，下圖爲傳統網絡大二層的解決方案示意圖：
在過去的業務模式中，分佈式還沒有興起，一個服務通常需要訪問的資源在同一個服務器上，因此東西向流量較少，主要需要關注的是南北向流量，以一個web服務爲例，後端服務也許只位於一個服務器上，這個服務處理請求時不需要向別的服務器發起請求，在本機上就可以完成處理，處理完成後將結果返回給瀏覽器，如果訪問請求增多，則南北向流量增大，對單個服務器的運算能力也要求較大，然而東西向流量並不會變多。
然而由於技術的發展，如今的數據中心對網絡的需求早已發生了變化：
- 虛擬化的興起：爲了提高計算和存儲資源的利用率，如今的數據中心幾乎都會採用虛擬化技術，而虛機資源的遷移會大大增加網絡中的東西向流量；
- 軟件架構的解耦：當今的一個服務可能會拆分成多個服務部署在不通的虛擬機上，可能位於不通的位置，這些服務之間會頻繁的通信，會大大增加東西向流量；
- 分佈式應用的興起：數據和應用如今會分佈在成千上萬個服務器上，任務需要在這些服務起上進行分發，計算，彙總，返回，會大大增加東西向流量；
傳統架構下，當存在大量東西向流量時，匯聚交換機和核心交換機的壓力會大大增加，網絡規模和性能也就限制在了匯聚層和核心層。要支持大規模的網絡，就必須有性能最好，端口密度最大的匯聚層核心層設備，這樣的設備成本高，不是所有企業都買得起，且必須在建設網絡時就預先規劃好網絡規模，在網絡規模小時，會造成資源的浪費，在網絡規模繼續擴大時，擴容也比較困難，因而讓企業陷入了成本和可擴展性的兩難選擇之中。
1.2 葉脊網絡架構的優勢
如上圖所示爲葉脊網絡架構的簡單模型，SPINE和LEAF之間爲全網狀連接（Full Mesh），具有如下優勢：
- 帶寬利用率高：每個LEAF到SPINE的多條上行鏈路以負載均衡方式工作，充分的利用了帶寬；
- 網絡延遲可預測：在以上模型中，各LEAF之間的連通路徑的條數可確定，均只需經過一個SPINE，東西向網絡延時可預測；
- 可水平擴展帶寬：帶寬不足時，增加SPINE交換機數量，可水平擴展帶寬；
- 服務器數量水平擴展：服務器數量增加時，增加LEAF交換機，擴大數據中心規模
- 單個交換機要求低：南北向流量可以從LEAF節點出去，也可從SPINE節點出去，東西向流量會分佈在多條路徑上，對單個交換機的性能要求不高；
- 高可用性強大：傳統網絡採用STP協議，當一臺設備故障時就會重新收斂，影響網絡性能甚至發生故障，SPINE LEAF架構中一臺設備故障時，不需重新收斂，流量繼續在其他正常路徑上通過，網絡連通性不受影響，帶寬也只減少一條路徑的帶寬，性能影響微乎其微；
- 可擴展性好：無需提前規劃網絡規模，按需擴容，小規模啓用，大規模適用。
接下來我們可以根據交換機的端口數量和帶寬，對SPINE LEAF架構的網絡適用的規模進行簡單的估計，如下圖所示的拓撲：
估算基於以下假設：
- SPINE數量：16臺
- 每個SPINE的下聯端口：48個 × 100G
- SPINE上聯端口：16個 × 100G
- LEAF數量：48臺
- 每個LEAF的下聯端口：64個 × 25G
- LEAF的上聯端口： 16個 × 25G
SPINE的下聯端口數量和LEAF的上聯端口數量相同，以充分利用端口，在考慮鏈路SPINE LEAF之間的帶寬全部跑滿的情況下，每個LEAF下聯的服務器數量最多爲：
即剛好等於LEAF的下聯端口數量，總共可支持的服務器數量爲：
也就是說，在上述假設下，一組SPINE LEAF網絡可以支持3072臺服務器，這是相當於一箇中大型規模的數據中心，那麼如果仍有擴展的需求該怎麼辦呢？根據上述的計算，LEAF和SPINE的下聯端口都已經耗盡，在這個網絡中已無法增加SPINE,LEAF或服務器。讓我們繼續深入一下，看看Facebook的Fabric網絡架構：
在這種架構中，我們的SPINE LEAF網絡是其中的一個POD, 我們的SPINE是圖中的Fabric Switches，我們的LEAF是圖中的Rack Switches，最上面的Spine Switches把各個POD連通起來。當一個POD的容量已滿時，可以增加POD，並用SPINE將這些POD連通起來，實現了網絡的繼續擴展。除了前面描述的POD和SPINE，上圖中還有黃色的Edge Plane，這是爲數據中心提供南北向流量的模塊。它們與SPINE交換機的連接方式，與前文中簡單的的SPINE LEAF架構一樣。並且它們也是可以水平擴展的。
SPINE LEAF網絡架構只是一種網絡部署的拓撲方式，具體的實現方法與配置多種多樣，有的廠商根據這種拓撲結構定義了特定的網絡協議，如思科的Fabric Path等。接下來，筆者將要介紹的是利用SPINE LEAF網絡架構構建一個全三層的網絡的設計思路與實踐方案。